深入理解Java虚拟机——Hotpot虚拟机对象
深入理解Java虚拟机——Hotpot虚拟机对象
Java对象的创建
当Java虚拟机遇到一条字节码new指令时，首先将去检查这个指令的参数是否能在常量池中定位到一个类的符号引用，并且检查这个符号引用代表的类是否已被加载、解析和初始化过。如果没有，那必须先执行相应的类加载过程。
在类加载检查通过后，接下来虚拟机将为新生对象分配内存。对象所需内存的大小在类加载完成后便可完全确定，为对象分配空间的任务实际上便等同于把一块确定大小的内存块从Java堆中划分出来。假设Java堆中内存是绝对规整的，所有被使用过的内存都被放在一 边，空闲的内存被放在另一边，中间放着一个指针作为分界点的指示器，那所分配内存就仅仅是把那 个指针向空闲空间方向挪动一段与对象大小相等的距离，这种分配方式称为“指针碰撞”(Bump The Pointer)。但如果Java堆中的内存并不是规整的，已被使用的内存和空闲的内存相互交错在一起，那 就没有办法简单地进行指针碰撞了，虚拟机就必须维护一个列表，记录上哪些内存块是可用的，在分 配的时候从列表中找到一块足够大的空间划分给对象实例，并更新列表上的记录，这种分配方式称为“空闲列表”(Free List)。选择哪种分配方式由Java堆是否规整决定，而Java堆是否规整又由所采用的垃圾收集器是否带有空间压缩整理(Comp act)的能力决定。因此，当使用Serial、ParNew等带压缩整理过程的收集器时，系统采用的分配算法是指针碰撞，既简单又高效;而当使用CMS这种基于清除(Sweep)算法的收集器时，理论上就只能采用较为复杂的空闲列表来分配内存。强调“理论上”是因为在CMS的实现里面，为了能在多数情况下分配得更快，设计了一个叫作Linear Allocation Buffer的分配缓冲区，通过空闲列表拿到一大块分配缓冲区之后，在它里面仍然可以使用指针碰撞方式来分配。
除如何划分可用空间之外，还有另外一个需要考虑的问题:对象创建在虚拟机中是非常频繁的行为，即使仅仅修改一个指针所指向的位置，在并发情况下也并不是线程安全的，可能出现正在给对象 A分配内存，指针还没来得及修改，对象B又同时使用了原来的指针来分配内存的情况。解决这个问题有两种可选方案:一种是对分配内存空间的动作进行同步处理——实际上虚拟机是采用CAS配上失败重试的方式保证更新操作的原子性;另外一种是把内存分配的动作按照线程划分在不同的空间之中进行，即每个线程在Java堆中预先分配一小块内存，称为本地线程分配缓冲(Thread Local Allocation Buffer，TLAB)，哪个线程要分配内存，就在哪个线程的本地缓冲区中分配，只有本地缓冲区用完 了，分配新的缓存区时才需要同步锁定。虚拟机是否使用TLAB，可以通过-XX:+/-UseTLAB参数来设定。
内存分配完成之后，虚拟机必须将分配到的内存空间(但不包括对象头)都初始化为零值，如果使用了TLAB的话，这一项工作也可以提前至TLAB分配时顺便进行。这步操作保证了对象的实例字段 在Java代码中可以不赋初始值就直接使用，使程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。接下来，Java虚拟机还要对对象进行必要的设置，例如这个对象是哪个类的实例、如何才能找到类的元数据信息、对象的哈希码(实际上对象的哈希码会延后到真正调用Object::hashCode()方法时才计算)、对象的GC分代年龄等信息。这些信息存放在对象的对象头(Object Header)之中。根据虚拟机当前运行状态的不同，如是否启用偏向锁等，对象头会有不同的设置方式。
在上面工作都完成之后，从虚拟机的视角来看，一个新的对象已经产生了。但是从Java程序的视角看来，对象创建才刚刚开始——构造函数，即Class文件中的
下面代码是HotSpot虚拟机字节码解释器(bytecodeInterpreter.cpp)中的代码片段。这个解释器实现很少有机会实际使用，大部分平台上都使用模板解释器;当代码通过即时编译器执行时差异就更大了。不过这段代码用于了解HotSpot的运作过程。
u2 index = Bytes::get_Java_u2(pc+1);
ConstantPool* constants = istate->method()->constants();
// 确保常量池中存放的是已解释的类
if (!constants->tag_at(index).is_unresolved_klass()) {
// Make sure klass is initialized and doesn't have a finalizer
// 断言确保是klassOop和instanceKlassOop(这部分下一节介绍)
Klass* entry = constants->slot_at(index).get_klass();
assert(entry->is_klass(), "Should be resolved klass");
Klass* k_entry = (Klass*) entry;
assert(k_entry->oop_is_instance(), "Should be InstanceKlass");
InstanceKlass* ik = (InstanceKlass*) k_entry;
// 确保对象所属类型已经经过初始化阶段
if ( ik->is_initialized() && ik->can_be_fastpath_allocated() ) {
// 取对象长度
size_t obj_size = ik->size_helper();
oop result = NULL;
// 记录是否需要将对象所有字段置零值
bool need_zero = !ZeroTLAB;
// 是否在TLAB中分配对象
if (UseTLAB) {
result = (oop) THREAD->tlab().allocate(obj_size);
}
// Disable non-TLAB-based fast-path, because profiling requires that all
// allocations go through InterpreterRuntime::_new() if THREAD->tlab().allocate
// returns NULL.
#ifndef CC_INTERP_PROFILE
if (result == NULL) {
need_zero = true;
// 直接在eden中分配对象
retry:
HeapWord* compare_to = *Universe::heap()->top_addr();
HeapWord* new_top = compare_to + obj_size;
// cmpxchg是x86中的CAS指令，这里是一个C++方法，通过CAS方式分配空间，并发失败的话，转到retry中重试直至成功分配为止
if (new_top <= *Universe::heap()->end_addr()) {
if (Atomic::cmpxchg_ptr(new_top, Universe::heap()->top_addr(), compare_to) != compare_to) {
goto retry;
}
result = (oop) compare_to;
}
}
#endif
if (result != NULL) {
// 如果需要，为对象初始化零值
if (need_zero ) {
HeapWord* to_zero = (HeapWord*) result + sizeof(oopDesc) / oopSize;
obj_size -= sizeof(oopDesc) / oopSize;
if (obj_size > 0 ) {
memset(to_zero, 0, obj_size * HeapWordSize);
}
}
// 根据是否启用偏向锁，设置对象头信息
if (UseBiasedLocking) {
result->set_mark(ik->prototype_header());
} else {
result->set_mark(markOopDesc::prototype());
}
result->set_klass_gap(0);
result->set_klass(k_entry);
// Must prevent reordering of stores for object initialization
// with stores that publish the new object.
OrderAccess::storestore();
SET_STACK_OBJECT(result, 0);
UPDATE_PC_AND_TOS_AND_CONTINUE(3, 1);
}
}
}
对象内存布局
在HotSpot虚拟机里，对象在堆内存中的存储布局可以划分为三个部分:对象头(Header)、实例数据(Instance Data)和对齐填充(Padding)。
HotSpot虚拟机对象的对象头部分包括两类信息。第一类是用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码(HashCode)、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等，这部分数据的长度在32位和64位的虚拟机(未开启压缩指针)中分别为32个比特和64个比特，官方称它 为“Mark Word”。对象需要存储的运行时数据很多，其实已经超出了32、64位Bitmap结构所能记录的最大限度，但对象头里的信息是与对象自身定义的数据无关的额外存储成本，考虑到虚拟机的空间效率，Mark Word被设计成一个有着动态定义的数据结构，以便在极小的空间内存储尽量多的数据，根据对象的状态复用自己的存储空间。例如在32位的HotSpot虚拟机中，如对象未被同步锁锁定的状态 下，Mark Word的32个比特存储空间中的25个比特用于存储对象哈希码，4个比特用于存储对象分代年龄，2个比特用于存储锁标志位，1个比特固定为0，在其他状态(轻量级锁定、重量级锁定、GC标记、可偏向)下对象的存储如下表所示：
| 存储内容 | 标志位 | 状态 |
|---|---|---|
| 对象哈希码、对象分代年龄 | 01 | 未锁定 |
| 指向锁记录的指针 | 00 | 轻量级锁定 |
| 指向重量级锁的指针 | 10 | 膨胀（重量级锁定） |
| 空，不需要记录信息 | 11 | GC标记 |
| 偏向线程ID、偏向时间戳、对象分代年龄 | 01 | 可偏向 |
对象头的另外一部分是类型指针，即对象指向它的类型元数据的指针，Java虚拟机通过这个指针来确定该对象是哪个类的实例。并不是所有的虚拟机实现都必须在对象数据上保留类型指针，换句话说，查找对象的元数据信息并不一定要经过对象本身，这点我们会在下一节具体讨论。此外，如果对象是一个Java数组，那在对象头中还必须有一块用于记录数组长度的数据，因为虚拟机可以通过普通 Java对象的元数据信息确定Java对象的大小，但是如果数组的长度是不确定的，将无法通过元数据中的信息推断出数组的大小。
接下来实例数据部分是对象真正存储的有效信息，即我们在程序代码里面所定义的各种类型的字 段内容，无论是从父类继承下来的，还是在子类中定义的字段都必须记录起来。这部分的存储顺序会 受到虚拟机分配策略参数(-XX:FieldsAllocationStyle参数)和字段在Java源码中定义顺序的影响。 HotSpot虚拟机默认的分配顺序为longs/doubles、ints、shorts/chars、bytes/booleans、oops(Ordinary Object Pointers，OOPs)，从以上默认的分配策略中可以看到，相同宽度的字段总是被分配到一起存放，在满足这个前提条件的情况下，在父类中定义的变量会出现在子类之前。如果HotSpot虚拟机的+XX:CompactFields参数值为true(默认就为true)，那子类之中较窄的变量也允许插入父类变量的空隙之中，以节省出一点点空间。
对象的第三部分是对齐填充，这并不是必然存在的，也没有特别的含义，它仅仅起着占位符的作 用。由于HotSpot虚拟机的自动内存管理系统要求对象起始地址必须是8字节的整数倍，换句话说就是 任何对象的大小都必须是8字节的整数倍。对象头部分已经被精心设计成正好是8字节的倍数(1倍或者 2倍)，因此，如果对象实例数据部分没有对齐的话，就需要通过对齐填充来补全。
对象的访问定位
创建对象自然是为了后续使用该对象，我们的Java程序会通过栈上的reference数据来操作堆上的具体对象。由于reference类型在《Java虚拟机规范》里面只规定了它是一个指向对象的引用，并没有定义 这个引用应该通过什么方式去定位、访问到堆中对象的具体位置，所以对象访问方式也是由虚拟机实 现而定的，主流的访问方式主要有使用句柄和直接指针两种:
如果使用句柄访问的话，Java堆中将可能会划分出一块内存来作为句柄池，reference中存储的就 是对象的句柄地址，而句柄中包含了对象实例数据与类型数据各自具体的地址信息，如下图：
如果使用直接指针访问的话，Java堆中对象的内存布局就必须考虑如何放置访问类型数据的相关 信息，reference中存储的直接就是对象地址，如果只是访问对象本身的话，就不需要多一次间接访问的开销，如下图所示：
这两种对象访问方式各有优势，使用句柄来访问的最大好处就是reference中存储的是稳定句柄地址，在对象被移动(垃圾收集时移动对象是非常普遍的行为)时只会改变句柄中的实例数据指针，而 reference本身不需要被修改。
使用直接指针来访问最大的好处就是速度更快，它节省了一次指针定位的时间开销，由于对象访 问在Java中非常频繁，因此这类开销积少成多也是一项极为可观的执行成本，就本书讨论的主要虚拟 机HotSpot而言，它主要使用第二种方式进行对象访问(有例外情况，如果使用了Shenandoah收集器的 话也会有一次额外的转发)，但从整个软件开发的范围来看，在各种语言、框架中使用句柄来访问的情况也十分常见。
OutOfMemoryError异常种类
Java堆溢出
Java堆用于储存对象实例，我们只要不断地创建对象，并且保证GC Roots到对象之间有可达路径 来避免垃圾回收机制清除这些对象，那么随着对象数量的增加，总容量触及最大堆的容量限制后就会 产生内存溢出异常。
下面代码限制Java堆的大小为20MB，不可扩展(将堆的最小值-Xms参数与最大值-Xmx参数 设置为一样即可避免堆自动扩展)，通过参数-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError可以让虚拟机在出现内存溢出异常的时候Dump出当前的内存堆转储快照以便进行事后分析。
/**
* Java堆内存溢出异常测试
* VM Args:-Xms20m -Xmx20m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
*/
public class HeapOOM {
static class OOMObject {
}
public static void main(String[] args) {
List<OOMObject> list = new ArrayList<OOMObject>();
while (true) {
list.add(new OOMObject());
}
}
}
运行结果如下：
java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
Dumping heap to java_pid3404.hprof ...
Heap dump file created [22045981 bytes in 0.663 secs]
Java堆内存的OutOfMemoryError异常是实际应用中最常见的内存溢出异常情况。出现Java堆内存 溢出时，异常堆栈信息“java.lang.OutOfMemoryError”会跟随进一步提示“Java heap space”。
要解决这个内存区域的异常，常规的处理方法是首先通过内存映像分析工具(如Eclipse Memory Analyzer)对Dump出来的堆转储快照进行分析。第一步首先应确认内存中导致OOM的对象是否是必要的，也就是要先分清楚到底是出现了内存泄漏(Memory Leak)还是内存溢出(Memory Overflow)。
如果是内存泄漏，可进一步通过工具查看泄漏对象到GC Roots的引用链，找到泄漏对象是通过怎 样的引用路径、与哪些GC Roots相关联，才导致垃圾收集器无法回收它们，根据泄漏对象的类型信息 以及它到GC Roots引用链的信息，一般可以比较准确地定位到这些对象创建的位置，进而找出产生内 存泄漏的代码的具体位置。
如果不是内存泄漏，换句话说就是内存中的对象确实都是必须存活的，那就应当检查Java虚拟机 的堆参数(-Xmx与-Xms)设置，与机器的内存对比，看看是否还有向上调整的空间。再从代码上检查是否存在某些对象生命周期过长、持有状态时间过长、存储结构设计不合理等情况，尽量减少程序运行期的内存消耗。
虚拟机栈和本地方法栈溢出
由于HotSpot虚拟机中并不区分虚拟机栈和本地方法栈，因此对于HotSpot来说，-Xoss参数(设置 本地方法栈大小)虽然存在，但实际上是没有任何效果的，栈容量只能由-Xss参数来设定。关于虚拟机栈和本地方法栈，在《Java虚拟机规范》中描述了两种异常:
如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的最大深度 ，将 抛 出 StackOverflowError 异 常 。 如果虚拟机的栈内存允许动态扩展，当扩展栈容量无法申请到足够的内存时，将抛出OutOfMemoryError异常。
《Java虚拟机规范》明确允许Java虚拟机实现自行选择是否支持栈的动态扩展，而HotSpot虚拟机的选择是不支持扩展，所以除非在创建线程申请内存时就因无法获得足够内存而出现 OutOfMemoryError异常，否则在线程运行时是不会因为扩展而导致内存溢出的，只会因为栈容量无法 容纳新的栈帧而导致StackOverflowError异 常 。
为了验证这点，我们可以做两个实验，先将实验范围限制在单线程中操作，尝试下面两种行为是 否能让HotSpot虚拟机产生OutOfMemoryError异常:一种是使用-Xss参数减少栈内存容量。结 果 : 抛 出 StackOverflowError 异常，异常出现时输出的堆栈深度相应缩小。 另一种是定义了大量的本地变量，增大此方法帧中本地变量表的长度。结果: 抛出StackOverflowError异常，异常出现时输出的堆栈深度相应缩小。首先，对第一种情况进行测试，代码如下：
/**
* 第一种情况虚拟机栈和本地方法栈测试
* VM Args:-Xss128k
*/
public class JavaVMStackSOF {
private int stackLength = 1;
public void stackLeak() {
stackLength++;
stackLeak();
}
public static void main(String[] args) throws Throwable {
JavaVMStackSOF oom = new JavaVMStackSOF();
try {
oom.stackLeak();
} catch (Throwable e) {
System.out.println("stack length:" + oom.stackLength);
throw e;
}
}
}
运行结果：
stack length:2402
Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
at org.fenixsoft.oom. JavaVMStackSOF.leak(JavaVMStackSOF.java:20)
at org.fenixsoft.oom. JavaVMStackSOF.leak(JavaVMStackSOF.java:21)
at org.fenixsoft.oom. JavaVMStackSOF.leak(JavaVMStackSOF.java:21)
......后续异常堆栈信息省略
对于不同版本的Java虚拟机和不同的操作系统，栈容量最小值可能会有所限制，这主要取决于操 作系统内存分页大小。譬如上述方法中的参数-Xss128k可以正常用于32位Windows系统下的JDK 6，但 是如果用于64位Windows系统下的JDK 11，则会提示栈容量最小不能低于180K，而在Linux下这个值则可能是228K，如果低于这个最小限制，HotSpot虚拟器启动时会给出如下提示:
The Java thread stack size specified is too small. Specify at least 228k
验证第二种情况，这次代码就显得有些“丑陋”了，为了多占局部变量表空间
/**
* 第二种虚拟机栈和本地方法栈测试
*/
public class JavaVMStackSOF {
private static int stackLength = 0;
public static void test() {
long unused1, unused2, unused3, unused4, unused5,
unused6, unused7, unused8, unused9, unused10, unused11, unused12, unused13, unused14, unused15, unused16, unused17, unused18, unused19, unused20, unused21, unused22, unused23, unused24, unused25, unused26, unused27, unused28, unused29, unused30, unused31, unused32, unused33, unused34, unused35, unused36, unused37, unused38, unused39, unused40, unused41, unused42, unused43, unused44, unused45, unused46, unused47, unused48, unused49, unused50, unused51, unused52, unused53, unused54, unused55, unused56, unused57, unused58, unused59, unused60, unused61, unused62, unused63, unused64, unused65, unused66, unused67, unused68, unused69, unused70, unused71, unused72, unused73, unused74, unused75, unused76, unused77, unused78, unused79, unused80, unused81, unused82, unused83, unused84, unused85, unused86, unused87, unused88, unused89, unused90, unused91, unused92, unused93, unused94, unused95, unused96, unused97, unused98, unused99, unused100;
stackLength++;
test();
unused1 = unused2 = unused3 = unused4 = unused5 = unused6 = unused7 = unused8 = unused9 = unused10 = unused11 = unused12 = unused13 = unused14 = unused15 = unused16 = unused17 = unused18 = unused19 = unused20 = unused21 = unused22 = unused23 = unused24 = unused25 =
unused26 = unused27 = unused28 = unused29 = unused30 = unused31 = unused32 = unused33 = unused34 = unused35 = unused36 = unused37 = unused38 = unused39 = unused40 = unused41 = unused42 = unused43 = unused44 = unused45 = unused46 = unused47 = unused48 = unused49 = unused50 = unused51 = unused52 = unused53 = unused54 = unused55 = unused56 = unused57 = unused58 = unused59 = unused60 = unused61 = unused62 = unused63 = unused64 = unused65 = unused66 = unused67 = unused68 = unused69 = unused70 = unused71 = unused72 = unused73 = unused74 = unused75 = unused76 = unused77 = unused78 = unused79 = unused80 = unused81 = unused82 = unused83 = unused84 = unused85 = unused86 = unused87 = unused88 = unused89 = unused90 = unused91 = unused92 = unused93 = unused94 = unused95 = unused96 = unused97 = unused98 = unused99 = unused100 = 0;
}
public static void main(String[] args) {
try {
test();
} catch (Error e) {
System.out.println("stack length:" + stackLength);
throw e;
}
}
}
运行结果：
stack length:5675
Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
at org.fenixsoft.oom. JavaVMStackSOF.leak(JavaVMStackSOF.java:27)
at org.fenixsoft.oom. JavaVMStackSOF.leak(JavaVMStackSOF.java:28)
at org.fenixsoft.oom. JavaVMStackSOF.leak(JavaVMStackSOF.java:28)
......后续异常堆栈信息省略
实验结果表明:无论是由于栈帧太大还是虚拟机栈容量太小，当新的栈帧内存无法分配的时候， HotSpot虚拟机抛出的都是StackOverflowError异常。可是如果在允许动态扩展栈容量大小的虚拟机 上，相同代码则会导致不一样的情况。譬如远古时代的Classic虚拟机，这款虚拟机可以支持动态扩展 栈内存的容量，在Windows上的JDK 1.0.2运行第二种(如果这时候要调整栈容量就应该改 用-oss参数了)，得到的结果是:
stack length:3716 java.lang.OutOfMemoryError
at org.fenixsoft.oom. JavaVMStackSOF.leak(JavaVMStackSOF.java:27)
at org.fenixsoft.oom. JavaVMStackSOF.leak(JavaVMStackSOF.java:28)
at org.fenixsoft.oom. JavaVMStackSOF.leak(JavaVMStackSOF.java:28)
......后续异常堆栈信息省略
可见相同的代码在Classic虚拟机中成功产生了而不是StackOverflowError异常。如果测试时不限于单线程，通过不断建立线程的方式，在HotSpot上也是可以产生内存溢出异常的，代码如下：
/**
* 创建线程导致内存溢出异常
* VM Args:-Xss2M (这时候不妨设大些，请在32位系统下运行)
*/
public class JavaVMStackOOM {
private void dontStop() {
while (true) {
}
}
public void stackLeakByThread() {
while (true) {
Thread thread = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
dontStop();
}
});
thread.start();
}
}
public static void main(String[] args) throws Throwable {
JavaVMStackOOM oom = new JavaVMStackOOM();
oom.stackLeakByThread();
}
}
运行结果：
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: unable to create native thread
特别注意，运行上述代码时，最好将自己的工作内保存一下，因为Windows平台的虚拟机中，Java的线程是映射到操作系统的内核线程上，无限制地创建线程会对操作系统带来很大压力，上述代码执行时有很高的风险，可能会由于创建线程数量过多而导致操作系统假死。
上述代码这样产生的内存溢出异常和栈空间是否足够并不存在任何直接的关系，主要取决于操作系统本身的内存使用状态。甚至可以说，在这种情况下，给每个线程的栈分配的内存越大，反而越容易产生内存溢出异常。
原因其实不难理解，操作系统分配给每个进程的内存是有限制的，譬如32位Windows的单个进程 最大内存限制为2GB。HotSpot虚拟机提供了参数可以控制Java堆和方法区这两部分的内存的最大值，那剩余的内存即为2GB(操作系统限制)减去最大堆容量，再减去最大方法区容量，由于程序计数器 消耗内存很小，可以忽略掉，如果把直接内存和虚拟机进程本身耗费的内存也去掉的话，剩下的内存 就由虚拟机栈和本地方法栈来分配了。因此为每个线程分配到的栈内存越大，可以建立的线程数量自 然就越少，建立线程时就越容易把剩下的内存耗尽。
出现 StackOverflowError异常时，会有明确错误堆栈可供分析，相对而言比较容易定位到问题所在。如果使用HotSpot虚拟机默认参数，栈深度在大多数情况下(因为每个方法压入栈的帧大小并不是一样的，所以只能说大多数情况下)到达1000~2000是完全没有问题，对于正常的方法调用(包括不能 做尾递归优化的递归调用)，这个深度应该完全够用了。但是，如果是建立过多线程导致的内存溢出，在不能减少线程数量或者更换64位虚拟机的情况下，就只能通过减少最大堆和减少栈容量来换取更多的线程。这种通过“减少内存”的手段来解决内存溢出的方式，如果没有这方面处理经验，一般比较难以想到，这一点需要在开发32位系统的多线程应用时注意。也是由于这种问题较为隐蔽，从JDK 7起，以上提示信息中“unable to create native thread”后面，虚拟机会特别注明原因可能是“possibly out of memory or process/resource limits reached”。
方法区和运行时常量池溢出
由于运行时常量池是方法区的一部分，所以这两个区域的溢出测试可以放到一起进行。前面曾经 提到HotSpot从JDK 7开始逐步“去永久代”的计划，并在JDK 8中完全使用元空间来代替永久代的背景 故事，在此我们就以测试代码来观察一下，使用“永久代”还是“元空间”来实现方法区，对程序有什么实际的影响。
String::intern()是一个本地方法，它的作用是如果字符串常量池中已经包含一个等于此String对象的字符串，则返回代表池中这个字符串的String对象的引用;否则，会将此String对象包含的字符串添加 到常量池中，并且返回此String对象的引用。在JDK 6或更早之前的HotSpot虚拟机中，常量池都是分配在永久代中，我们可以通过-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize限制永久代的大小，即可间接限制其中常量池的容量，首先以JDK 6来运行以下代码：
/**
* VM Args:-XX:PermSize=6M -XX:MaxPermSize=6M
* 运行时常量池导致的内存溢出异常
*/
public class RuntimeConstantPoolOOM {
public static void main(String[] args) {
// 使用Set保持着常量池引用，避免Full GC回收常量池行为
Set<String> set = new HashSet<String>();
// 在short范围内足以让6MB的PermSize产生OOM了 short i = 0;
while (true) {
set.add(String.valueOf(i++).intern());
}
}
}
运行结果：
xception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
at java.lang.String.intern(Native Method)
at org.fenixsoft.oom.RuntimeConstantPoolOOM.main(RuntimeConstantPoolOOM.java: 18)
从运行结果中可以看到，运行时常量池溢出时，在OutOfMemoryError异常后面跟随的提示信息 是PermGen space，说明运行时常量池的确是属于方法区(即JDK 6的HotSpot虚拟机中的永久代)的 一部分。
而使用JDK 7或更高版本的JDK来运行这段程序并不会得到相同的结果，无论是在JDK 7中继续使 用-XX:MaxPermSize参数或者在JDK 8及以上版本使用-XX:MaxMetaspaceSize参数把方法区容量同样限制在6MB，也都不会重现JDK 6中的溢出异常，循环将一直进行下去。出现这种变化，是因为自JDK 7起，原本存放在永久代的字符串常量池被移至Java堆之中，所以在JDK 7及以上版本，限制方法区的容量对该测试用例来说是毫无意义的。这时候使用-Xmx参数限制最大堆到6MB就能够看到以下两种运行结果之一，具体取决于哪里的对象分配时产生了溢出:
// OOM异常一:
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
at java.base/java.lang.Integer.toString(Integer.java:440)
at java.base/java.lang.String.valueOf(String.java:3058)
at RuntimeConstantPoolOOM.main(RuntimeConstantPoolOOM.java:12)
// OOM异常二:
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
at java.base/java.util.HashMap.resize(HashMap.java:699)
at java.base/java.util.HashMap.putVal(HashMap.java:658)
at java.base/java.util.HashMap.put(HashMap.java:607)
at java.base/java.util.HashSet.add(HashSet.java:220)
at RuntimeConstantPoolOOM.main(RuntimeConstantPoolOOM.java from InputFile-Object:14)
关于这个字符串常量池的实现在哪里出现问题如下代码：
/**
* String.intern()返回引用的测试
*/
public class RuntimeConstantPoolOOM {
public static void main(String[] args) {
String str1 = new StringBuilder("计算机").append("软件").toString();
System.out.println(str1.intern() == str1);
String str2 = new StringBuilder("ja").append("va").toString();
System.out.println(str2.intern() == str2);
}
}
这段代码在JDK 6中运行，会得到两个false，而在JDK 7中运行，会得到一个true和一个false。产 生差异的原因是，在JDK 6中，intern()方法会把首次遇到的字符串实例复制到永久代的字符串常量池中存储，返回的也是永久代里面这个字符串实例的引用，而由StringBuilder创建的字符串对象实例在 Java堆上，所以必然不可能是同一个引用，结果将返回false。
而JDK 7(以及部分其他虚拟机，例如JRockit)的intern()方法实现就不需要再拷贝字符串的实例 到永久代了，既然字符串常量池已经移到Java堆中，那只需要在常量池里记录一下首次出现的实例引用即可，因此intern()返回的引用和由StringBuilder创建的那个字符串实例就是同一个。而对str2比较返回false，这是因为“java”这个字符串在执行StringBuilder.toString()之前就已经出现过了(它是在加载sun.misc.Version这个类的时候进入常量池的)，字符串常量池中已经有它的引用，不符合intern()方法要求“首次遇到”的原则，一个在堆一个常量池，所以不相等，“计算机软件”这个字符串则是首次出现的，因此结果返回true。
再来看看方法区的其他部分的内容，方法区的主要职责是用于存放类型的相关信息，如类名、访问修饰符、常量池、字段描述、方法描述等。对于这部分区域的测试，基本的思路是运行时产 生大量的类去填满方法区，直到溢出为止。虽然直接使用Java SE API也可以动态产生类(如反射时的 GeneratedConstructorAccessor和动态代理等)，借助了CGLib直接操作字节码运行时生成了大量的动态类。
/**
* 借助CGLib使得方法区出现内存溢出异常
* VM Args:-XX:PermSize=10M -XX:MaxPermSize=10M
*/
public class JavaMethodAreaOOM {
public static void main(String[] args) {
while (true) {
Enhancer enhancer = new Enhancer();
enhancer.setSuperclass(OOMObject.class);
enhancer.setUseCache(false);
enhancer.setCallback(new MethodInterceptor() {
public Object intercept(Object obj, Method method, Object[] args, MethodProxy proxy) throws Throwable {
return proxy.invokeSuper(obj, args);
}
});
enhancer.create();
}
}
static class OOMObject {
}
}
JDK 7运行结果
Caused by: java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
at java.lang.ClassLoader.defineClass1(Native Method)
at java.lang.ClassLoader.defineClassCond(ClassLoader.java:632)
at java.lang.ClassLoader.defineClass(ClassLoader.java:616)
... 8 more
方法区溢出也是一种常见的内存溢出异常，一个类如果要被垃圾收集器回收，要达成的条件是比 较苛刻的。在经常运行时生成大量动态类的应用场景里，就应该特别关注这些类的回收状况。这类场 景除了之前提到的程序使用了CGLib字节码增强和动态语言外，常见的还有:大量JSP或动态产生JSP 文件的应用(JSP第一次运行时需要编译为Java类)、基于OSGi的应用(即使是同一个类文件，被不同 的加载器加载也会视为不同的类)等。
在JDK 8以后，永久代便完全退出了历史舞台，元空间作为其替代者登场。在默认设置下，前面 列举的那些正常的动态创建新类型的测试用例已经很难再迫使虚拟机产生方法区的溢出异常了。不过 为了让使用者有预防实际应用里出现破坏性的操作，HotSpot还是提供了一 些参数作为元空间的防御措施，主要包括:
- -XX:MaxMetaspaceSize:设置元空间最大值，默认是-1，即不限制，或者说只受限于本地内存大小。
- -XX:MetaspaceSize:指定元空间的初始空间大小，以字节为单位，达到该值就会触发垃圾收集进行类型卸载，同时收集器会对该值进行调整:如果释放了大量的空间，就适当降低该值;如果释放了很少的空间，那么在不超过-XX:MaxMetaspaceSize(如果设置了的话)的情况下，适当提高该值。
- -XX:MinMetaspaceFreeRatio:作用是在垃圾收集之后控制最小的元空间剩余容量的百分比，可 减少因为元空间不足导致的垃圾收集的频率。类似的还有-XX:MaxMetaspaceFreeRatio，用于控制最 大的元空间剩余容量的百分比。
本机直接内存溢出
直接内存(Direct Memory)又叫做直接内存。 和堆内内存相对应，堆外内存就是把内存对象分配在Java虚拟机的堆以外的内存，这些内存直接受操作系统管理（而不是虚拟机），这样做的结果就是能够在一定程度上减少垃圾回收对应用程序造成的影响。它的容量大小可通过-XX:MaxDirectMemorySize参数来指定，如果不去指定，则默认与Java堆最大值(由-Xmx指定)一致，下面代码越过了DirectByteBuffer类直接通过反射获取Unsafe实例进行内存分配(Unsafe类的getUnsafe()方法指定只有引导类加载器才会返回实例，体现了设计者希望只有虚拟机标准类库里面的类才能使用Unsafe的功能，在JDK 10时才将Unsafe的部分功能通过VarHandler (开放给外部使用)，因为虽然使用DirectByteBuffer分配内存也会抛出内存溢出异常，但它抛出异常时并没有真正向操作系统申请分配内存，而是通过计算得知内存无法分配就会在代码里手动抛出溢出异常，真正申请分配内存的方法是Unsafe::allocateMemory ()。
/**
* 使用unsafe分配本机内存
* VM Args:-Xmx20M -XX:MaxDirectMemorySize=10M
*/
public class DirectMemoryOOM {
private static final int _1MB = 1024 * 1024;
public static void main(String[] args) throws Exception {
Field unsafeField = Unsafe.class.getDeclaredFields()[0];
unsafeField.setAccessible(true);
Unsafe unsafe = (Unsafe) unsafeField.get(null);
while (true) {
unsafe.allocateMemory(_1MB);
}
}
}
运行结果:
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError
at sun.misc.Unsafe.allocateMemory(Native Method)
at org.fenixsoft.oom.DMOOM.main(DMOOM.java:20)
由直接内存导致的内存溢出，一个明显的特征是在Heap Dump文件中不会看见有什么明显的异常 情况，如果发现内存溢出之后产生的Dump文件很小，而程序中又直接或间接使用了 DirectM emory(典型的间接使用就是NIO)，那就可以考虑重点检查一下直接内存方面的原因了。
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